Введение

В эпоху цифровой трансформации общества и развития инновационных технологий мобильное лазерное сканирование становится важным инструментом для решения широкого спектра задач в различных областях. Оно представляет собой современный метод получения высокоточных пространственных данных, который позволяет автоматизировать процессы сбора информации, оптимизировать рабочие процессы и повысить эффективность деятельности.

Принцип работы мобильных лазерных сканеров

Мобильные лазерные сканеры — это устройства, которые используют лазерное сканирование для создания трёхмерного изображения окружающей обстановки.

Работа мобильного лазерного сканера основана на принципе измерения расстояний до окружающих объектов с помощью лазерного дальномера. Лазерный луч формируется и направляется на объект, отражённый сигнал возвращается к устройству и преобразуется в данные о расстоянии. Такие измерения производятся в очень короткие промежутки времени, обеспечивая тем самым высокую точность и скорость сканирования.

Среди всех типов сканирующих устройств одним из наиболее перспективных является мобильный лазерный сканер, оснащённый технологией одновременной локализации и построения карты (SLAM).

Алгоритм SLAM основывается на одновременном использовании датчиков измерения расстояния и процедур сопоставления данных для уточнения позиции и выявления изменений в окружающей среде.

Процедура локализации с помощью SLAM состоит из двух циклов: предсказание будущей позиции на основе предыдущих измерений и обновление локальной оценки позиции с учётом новых измерений. На каждом этапе работы алгоритма можно выделить этапы:

Получение измерений от датчиков.
Локальная оценка позы — применение фильтра Калмана для уточнения текущих координат.
Предсказание следующего состояния системы с учётом движения.
Сопоставление карт — определение точек соответствия между текущим и предыдущим наблюдениями.
Обновление карты — учёт нового измерения в карте.
Повторение — переходы на шаг 1.
Добавление новой информации о карте и позиционировании сканера в каждый из циклов алгоритма способствует уточнению и дополнению карты.
При переполнении или в случае возникновения ошибки процесс сопоставления прерывается досрочно. Затем происходит возврат к циклу обновления карты и повтор всего алгоритма. В результате работы алгоритма SLAM формируется карта, которая отражает расположение всех препятствий и объектов, а также текущее положение сканера.

Интерфейс ПО Lixel go (отображается в режиме реального времени в момент проведения сканирования с помощью мобильного лазерного сканера Xgrids Lixel L2 ) | съемка выполнена специалистами Aeromotus.

Ограничениями алгоритма SLAM могут быть сложность обработки измерений, особенно при большом количестве схожих элементов местности, а также необходимость значительных вычислительных ресурсов при создании облака точек, к ещё одному ограничению можно отнести повторяющиеся поверхности, не имеющие характерных элементов – например длинные подземные тоннели. Также ограничениями являются открытые пространства, где также нет характерных элементов местности или наоборот очень узкие пространства. Однако совокупность систем сканеров (ГНСС система, инерциальная система, SLAM система) позволяет в значительной степени нивелировать данные ограничения. Естественно, успешность построение во многом зависит от человека, который выполняет съемку.

Преимущества применения МЛС

Существует ряд преимуществ, которые делают применение мобильных лазерных 3d сканеров эффективным и востребованным технологическим решением многих производственных задач:

Автоматическое и непрерывное сканирование позволяет быстро и точно создать цифровую модель объекта или участка территории в необходимой системе координат. Возможность непрерывной съемки в движении серьезной преимущество перед привычными наземными лазерными сканерами. Также непрерывность сканирования и движение устройства уменьшает избыточность данных лазерного сканирования, соответственно повышается скорость обработки облака точек, требуется меньше вычислительных мощностей.
Возможность эффективно работать как на открытой местности, так и в закрытых помещениях. На открытой местности работает за счёт ГНСС приёмников геодезической точности и инерциальной системы, в помещениях ГНСС приёмник заменяют SLAM алгоритмы.
Современные МЛС обеспечивает высокую точность определения расстояний и углов между объектами. Есть различные классы МЛС, одни обеспечивают точность в пределах миллиметров (Trimble MX50), другие укладываются в сантиметровую планово-высотную точность (Lixel L2).
Часто мобильные лазерные сканеры могут быть интегрированы с различными устройствами, один и тот же сканер можно использовать на автомобиле, поезде, самокате, с помощью портфеля, вручную или даже установить на дрон. Обычно производитель создает наборы
Использование мобильных лазерных сканеров позволяет сократить время и затраты на выполнение измерений, что делает их экономически эффективными для широкого спектра задач.
Современные мобильные лазерные сканеры имеют интуитивно понятный интерфейс, что упрощает их использование и обучение работе с ними.

В настоящее время специалисты компании Aeromotus находятся в процессе проведения серии тестов и сбора материала для предстоящего вебинара, посвященного технологии мобильного лазерного сканирования. Подробности проведения мероприятия будут известны позже, следите за нашими обновлениями в официальном телеграм-канале Aeromotus, а также на странице вебинаров.

Области применения мобильного лазерного сканирования

Приведённая технология может быть использована в широком спектре областей, включая инженерно-геодезические изыскания, градостроительство, строительство, производство и другие:

Инженерно-геодезическая сфера и градостроительные задачи

Обследование и составление планов городских территорий. Информация о рельефе, землепользовании, инфраструктуре и других элементах городской среды может быть получена быстро и эффективно с помощью мобильного лазерного сканера.

Строительство

Контроль строительства. С помощью сканирования можно отслеживать соответствие строящегося объекта проектной документации, выявлять отклонения и своевременно вносить коррективы.

Дорожные работы

В сфере дорожного строительства лазерное сканирование успешно используется в трёх основных направлениях:

инженерно-геодезические изыскания при проектировании и исполнительной съёмке;
паспортизация и инвентаризация существующей инфраструктуры;
создание геоинформационных систем (ГИС) и геопространственных баз данных о дорогах.

Экология

Исследование экологических характеристик, мониторинг и восстановление лесных массивов, лесотаксация. Точная картография лесов может служить основой для управления лесным хозяйством, планирования восстановления лесных территорий и контроля за вырубками.

Горнодобывающая промышленность

В настоящее время для выполнения маркшейдерских работ широко применяются электронные тахеометры. Обработка полученных данных с последующей выдачей результатов требует значительных временных затрат.

Мобильные лазерные сканеры могут существенно ускорить проведение исследований. Использование мобильных сканеров позволяет сократить численность бригады с четырёх-пяти до одного-двух человек. Применение технологий лазерного сканирования уже нашло своё место на многих горных предприятиях, например, в Заполярном филиале ПАО «Норникель». Измерение параметров стометровой горной выработки при помощи мобильного сканера занимает около трёх минут, что в 40 раз быстрее старого метода. На основе полученной цифровой модели сети горных выработок и локальных участков массива горных пород возможно создание точных математических геомеханических моделей напряженно-деформированного состояния породы в пределах шахтного поля.

Среди наиболее перспективных направлений для применения мобильного лазерного сканирования в горной промышленности можно выделить следующие:

съёмка уникальных природных подземных объектов;
обследование подземных хранилищ (нефть, газ, опасные ядерные отходы);
построение полной трёхмерной модели сети горных выработок, шахтах или в рудниках;
контроль устойчивости бортов карьеров или разрезов;
точная оценка отбитой рудной массы;
детализированное обследование локальных вывалов или обрушений горных пород для разработки документов по перекрепке повреждённых участков выработок;
оценка динамики объёма разрушенных пород приконтурного углепородного массива горных выработок при их периодическом обследовании;
значительное снижение трудоёмкости маркшейдерской съёмки.

Примеры использования

Давайте обратимся к материалам, которые мы можем получить с помощью мобильного лазерного сканирования.

Первый наш пример, это помещения офиса и парковка здания. Съемка выполнялась с помощью мобильного лазерного сканера Lixel L2. В режиме съемки «Indoor» – для съемки внутри помещений или узких пространств. Также у сканера есть ещё два режима «Outdoor» для съемки открытых пространств и «semi-outdoor» смешенный режим сканирования, наиболее подходящий ландшафт – улицы. От выбора режима сканирования на прямую зависит точность работы SLAM алгоритма и построения облака точек. Данный сканер показал себя очень достойно при съемке в любых сценариях съемки.

Рис.3 (а-б). Детали облака точек

Съемка выполнялась в один проход и общее время движения по зданию заняло не более 30 минут. Съемка началась из офисных помещений, далее по лестнице оператор спустился на парковку, выполнил по ней полный круг и поднялся обратно в точку старта маршрута. При движении было достаточно много «сложных» мест для построения алгоритмами SLAM облака точек – узкие офисные коридоры, лестница. Сканер отлично справился с построением облака, никаких искажений геометрии замечено не было. Ещё один пример съемки в смешенных условиях. Съемки выполнялись на открытой местности с проходами по лестницам в наружных пешеходных переходах.

Съемки проводились в смешенном режиме сканирования, общее время маршрута составило около 10-15 минут. Наибольшая вероятность «сломать» алгоритм построения приходилась на переход от открытой местности к движению по лестнице с небольшим расстоянием до стен (рис 6).

На данной местности было сделано несколько съемок для выяснения сходимости облаков точек. Относительная точность данного сканера находилась в заявленных производителем пределах.

Особенностью данного лазерного сканера является то, что в процессе выполнения съемки Lixel L2 в режиме реального времени создаёт облако точек лазерного сканирования в формате las. Его плотность составляет около 25% от облака точек, получаемого после обработки сырых данных сканирования (Рис 6.)

Мобильные лазерные сканеры можно использовать и для достаточно специфических задач, например инвентаризации кладбищ. Вот несколько изображений съемки, выполненной на территории кладбища, для последующей векторизации границ ограждений (Рис 7 – 9).

Рис 7-9. Мобильное лазерное сканирование для векторизации границ ограждений.

Выводы

Мобильное лазерное сканирование – относительно новое направление и безусловно, самое техничное совершенное направление лазерного сканирование. Основное его преимущество – универсальность. Мобильные лазерные сканеры могут решать практически любые задачи, связанные с геодезией, проектированием, строительством, экологией и др.

Коллеги! Если у вас остались вопросы по данному материалу или вы хотите обсудить какие-то другие темы, касающиеся промышленных беспилотных технологий, присоединяйтесь к нашему телеграм-чату специалистов.